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钢渣复合料胶结材及混凝土的研究与应用

发布时间:2014-05-14 14:01:49??来源:武钢研究院??作者:方宏辉 黄建阳 薛改风 卢丽君

?【摘要】由于钢渣在建材应用上的不稳定性,?造成了钢渣在各钢厂的大量堆积.?自由态石灰被认为是问题的主要原因,本文讨论钢渣复合料胶结材及混凝土的配制。试验分析了钢渣和复合矿渣粉组成钢渣复合料胶结材的物理化学性能,检验钢渣复合料的胶砂强度,配制不同工艺处理钢渣复合料混凝土,进行不同强度等级的混凝土试验和水化结构分析;对用于工程建筑的钢渣复合料混凝土样,?包括26年老道路,?进行超声波和回弹仪综合检测,用于钢渣复合料混凝土路面,钻芯取样测定强度分析,并运用扫描电镜等测试手段,进行微观结构分析。

【关键词】钢渣复合料??矿渣粉??胶结材??混凝土

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?

钢渣是钢铁企业的主要固体废弃物之一,其利用率低的主要原因是钢渣的稳定性差。国外钢渣多用于填海造地1,作公路基层材料,少数用作农肥和返回冶金生产作炼铁熔剂及烧结矿原料,用于建筑材料常采用抑制和消除钢渣膨胀的方法。我国钢渣的利用途径主要作烧结矿原料、路基材料、回填材料、水泥原料和混凝土掺合料,用于建筑材料仍然是抑制和消除钢渣膨胀的方法。

根据钢渣的矿物组成及水化反应特征,对钢渣细集料用于配制钢渣复合料胶结材进行了试验研究,发现钢渣复合料具有异常良好的水化性能,并配制混凝土进行了测试分析。试验表明,钢渣组成复合料,既解决了钢渣不稳定的因素,又使钢渣成为胶结材优异性能的结构组成。

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1??原料组成及试验方法

1.1??钢渣复合料的原料组成

钢渣复合料是由钢渣和复合矿渣粉组成。钢渣是炼钢过程中产生的高温熔渣经粒化处理磁选后,粒径小于4.75mm的自然级配渣;复合矿渣粉以下简称矿渣粉)主要以高炉粒化矿渣及石膏调节料和硅酸盐组合料组成,矿渣粉比表面积大于400m2/kg,80μm方孔筛筛余不超过4.5%。不同工艺处理钢渣和矿渣的化学成分列于表1。

表1???????????????不同工艺处理钢渣和矿渣的化学成分(wt/%)

项???目

SiO2

Al2O3

CaO

MgO

Mn

P2O5

MFe

FeO

Fe2O3

S

碱度*

涟钢热焖渣

10.36

2.14

43.52

6.09

1.92

1.69

2.3

11.90

11.20

0.077

3.61

武钢热泼渣

8.68

1.63

42.96

7.50

1.89

1.26

0.4

13.28

12.49

0.040

4.32

宝钢滚筒渣

8.34

1.12

39.03

9.95

2.29

1.48

2.3

23.35

6.65

0.038

3.97

马钢风淬渣

8.72

1.53

37.46

10.54

1.85

2.04

0.52

15.12

19.24

0.032

3.48

济钢热焖渣

10.59

1.69

38.28

7.76

2.61

1.52

/

26.02

9.24

0.106

3.16

鞍钢热泼渣

9.46

5.36

38.33

10.38

0.73

0.95

0.60

11.69

10.39

0.179

3.68

武钢矿渣

33.70

14.49

37.35

9.73

0.19

0.023

/

0.81

1.30

0.755

1.10

注:*碱度CaO/SiO2P2O5

?

1.2??钢渣复合料胶结材胶砂试样配制及强度检验

制样原料组成按二种方法称料,热焖、热泼工艺处理的钢渣复合料,每成型三条试体称量复合矿渣粉450g、自然含水钢渣675g、标准砂675g;滚筒、风淬工艺处理的钢渣复合料,每成型三条试体称量复合矿渣粉500g、自然含水钢渣750g、标准砂750g。用水量的确定,按GB/T2419水泥胶砂流动度测定方法选取流动度175±5mm范围内的用水量。成型、养护、强度检验按GB/T?17671-1999进行。

1.3??混凝土配制及强度检验

混凝土设计配制列于表2,试件强度检验按GB/T50081-2002进行。

表2?????不同工艺处理钢渣复合料混凝土配合比设计

编号

设计强度等级

坍落度

mm

配??合??比??????????????????????kg/m3

矿渣粉

钢渣1

细砂

碎石

外加剂2

用水量

1

C50

140

480

500(热泼渣)

370

1100

5.8

170

2

C30

260

390

400(热泼渣)

410

1250

4.7

165

3

C50

180

480

500(热焖渣)

320

1100

5.8

190

4

C30

140

390

400(热焖渣)

416

1250

4.7

180

5

C50

165

450

800(滚筒渣)

/

1200

5.4

160

6

C30

270

390

600(滚筒渣)

260

1200

4.7

165

7

C50

265

450

800(风淬渣)

/

1200

5.4

160

8

C30

265

390

600(风淬渣)

260

1200

4.7

160

9

C50

270

450

800(滚筒渣)

/

1200

9.0

150

10

C70

260

550

800(滚筒渣)

/

1100

9.0

150

11

C50

270

450

800(风淬渣)

/

1200

9.0

145

12

C70

260

550

800(风淬渣)

/

1100

9.0

145

注:1?不同工艺处理钢渣处于自然含水状态,钢渣中含水未计入用水量。2?编号1~8用FDN减水剂,9~12用聚羧酸减水剂。

1.4??用于道路的混凝土取样检验

用于道路的混凝土,采用钻芯的方法取样,钻芯试样为φ100㎜的圆柱体,截取长100㎜圆柱体进行抗压强度试验。

2??结果与讨论

2.1??钢渣的显微结构

试验分别对滚筒钢渣、风淬钢渣、热泼钢渣、热焖钢渣进行了显微结构分析。

滚筒钢渣:试样中主要为硅酸二钙,其次有硅酸三钙和方镁石,粘结相为玻璃相。硅酸二钙,无色,园粒状;硅酸三钙,无色,呈板状,结晶比较好。氧化镁呈园粒状,固溶氧化铁,呈黄色。粘结相主要为铁质玻璃,红褐色~黑色,半透明。玻璃相呈网状将硅酸二钙和硅酸三钙隔开。试样结构比较均匀。试样显微结构见图1

风淬钢渣:试样多数呈圆形颗粒。试样中主要为硅酸二钙,其次为方镁石和玻璃相,少量铁酸钙。硅酸二钙颗粒很细小,呈米粒状、麦穗状。粘结相主要为玻璃相,其中有少量铁酸钙,颜色为红褐色。钢渣颗粒边缘常常有层薄的玻璃相包裹。方镁石园粒状,黄色,稀散分布,局部方镁石富集呈团。试样未见明显的水化现象。试样显微结构见图2

热泼钢渣:试样易水化,光片表面看不清晶粒界线,钢渣颗粒边缘有层水化圈。大部分细粉都水化,结构不均匀。试样中主要为硅酸二钙,少量硅酸三钙、氧化镁、玻璃相。硅酸二钙为园粒状,有些呈它形粒状镶嵌。晶粒之间粘结相少。氧化镁颗粒孤立分布,呈黄色~黑色,固溶大量铁,夹杂在硅酸二钙之间。试样显微结构特征见图3

热焖钢渣:试样中主要为硅酸二钙,其次为硅酸三钙、氧化镁,玻璃相,局部见铁酸钙。有些钢渣颗粒周围有水化现象,细粉基本都水化了,仅留下不水化的物相,主要是氧化镁固溶体和玻璃相。硅酸二钙颗粒呈粒状,结晶颗粒有大有小;少量硅酸三钙呈板状,在硅酸钙之间有氧化镁颗粒,硅酸钙之间的粘结相比较少,粘结相一般为玻璃相,少量铁酸钙。试样显微结构见图4

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图片4.jpg???图片5.jpg

图1?????滚筒渣显微结构特征?????????????????????????图2?????风淬渣显微结构特征

?

图片6.jpg???图片7.jpg

图3?????热泼渣显微结构特征????????????????????????图4?????热闷渣显微结构特征

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从图144种工艺处理钢渣的显微结构可见,钢渣中皆含有硅酸二钙、硅酸三钙等水硬性矿物,亦被称为过烧硅酸盐水泥熟料1。从工艺特征和矿物组成结构特征来看,滚筒渣和风碎渣比较相似,属于快速冷却钢渣;相对而言,热焖渣和热泼渣则属于缓慢冷却钢渣。

快冷钢渣由于冷却比较快,高温液相钢渣被分散后的表层冷却呈玻璃相,网状分布,将硅酸二钙、少数游离氧化钙等颗粒包裹,整体分布均匀。

热闷渣和热泼渣属于缓慢冷却,冷却不均匀,外部冷却速度快,内部则冷却缓慢,因此在热闷渣和热泼渣中的显微结构不均匀,钢渣中有硅酸二钙和硅酸三钙,颗粒大小不等,常常连成片,游离氧化钙颗粒多呈团集分布,玻璃相分布不均匀,含量相对比较少,钢渣颗粒周围常常见一圈水化圈,特别是玻璃相少的钢渣颗粒水化厉害。

钢渣冷却速度对钢渣显微结构具有明显影响2快速冷却处理的钢渣结构均匀,形成的游离氧化钙比较少,分散分布,性能稳定;缓慢冷却处理钢渣结构不均匀,其形成的游离氧化钙颗粒多呈团集分布。

2.2??钢渣复合料胶结材与混凝土的强度试验

钢渣复合料胶结材胶砂强度试验结果列于表3,配制混凝土试验结果列于表4

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3??????????不同处理工艺钢渣与同一种矿渣粉配制钢渣复合料试验

钢渣品种1

凝结时间(时:分)

沸煮

安定性

抗折强度(MPa

抗压强度(MPa

初凝

终凝

3d

28d

3d

28d

热泼钢渣

325

740

合格

6.7

11.2

28.5

39.9

热焖钢渣

220

545

合格

7.6

13.3

30.7

43.9

滚筒钢渣

157

432

合格

10.3

17.0

47.5

71.2

风淬钢渣

125

255

合格

10.9

15.6

48.4

65.5

注:1?各品种钢渣皆为现场1月内的新渣。

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4???????????????????钢渣复合料混凝土强度试验1

编号

混凝土立方体抗压强度???????????????????????????(MPa)

3d

7d

28d

60d

90d

150d

360d

1

48.2

51.6

62.3

/

/

/

/

2

40.5

45.4

52.4

/

/

/

/

3

50.1

55.3

65.0

/

/

/

/

4

43.1

48.1

52.7

/

/

/

/

5

56.0

64.1

72.4

73.3

/

78.4

/

6

47.9

53.5

59.3

63.0

/

67.5

/

7

57.0

66.6

72.1

73.0

/

75.0

/

8

44.5

53.5

59.7

61.0

/

64.3

/

9

/

84.2

88.7

/

93.4

/

95.0

10

76.8

82.0

93.4

/

97.0

/

99.6

11

/

65.6

77.9

/

79.6

/

84.2

12

74.3

81.5

91.5

/

93.1

/

100.3

注:1?钢渣复合料混凝土强度试验由中国建筑科学研究院建材所沈阳试验中心完成。

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3是使用同一种矿渣粉分别与不同工艺处理钢渣组成胶结材的性能试验,可见钢渣复合料胶结材具有良好的物理力学性能,不同工艺处理的钢渣复合料胶结材胶砂强度符合硅酸盐水泥32.562.5强度等级指标。且早期强度高,抗折强度十分突出,沸煮安定性合格,凝结时间正常。

4是使用表3的钢渣复合料胶结材分别配制不同强度等级的混凝土试验,用不同工艺处理的钢渣复合料设计强度等级为C30C50C70混凝土,皆符合设计强度技术指标。且早期强度高,后期强度持续增长。表中12号风淬钢渣试样3d抗压强度超过70MPa、28d超过90MPa360d超过100MPa10号滚筒钢渣试样的强度技术指标与12号试样相当,皆表现出混凝土质量的良好材料性能,强度随时间延长均呈增长状态。相同的钢渣配制的混凝土(如试样6910;试样81112),在一定范围内,随矿渣粉数量增加,矿渣粉与水的比例增加,强度等级提高。对于水泥混凝土的强度,艾布拉姆3的水灰比(W/C)学说指出,硬化后的混凝土强度与其说决定于使用水泥的多寡,不如说是决定于水和水泥的比例,也就是说决定于水泥浆的浓度。从而发现W/C低的,即水泥浆浓度大的,强度也大。显然在钢渣复合料混凝土中,随胶结材含水矿物胶凝物质浓度增大,强度提高。

强度是混凝土的最重要的力学性质4,这是因为任何混凝土结构物主要都是用以承受荷载或抵抗各种作用力。钢渣细集料矿渣粉胶结材混凝土5,是钢渣和矿渣及石膏调节料浆体凝结硬化,将集料粘结而成的人工石,它的力学性能主要由各组分中主要矿物的性能和数量以及它们的组合比所支配。钢渣复合料胶结材1天水化产物可见针状硫铝酸盐水化物和绒絮状的硅酸盐水化物交织在一起,3天硫铝酸盐水化物基本被绒絮状的硅酸盐水化物覆盖,同时,还可见到棒状和粒状多边形的硅酸盐水化物,28天硅酸盐水化物与硫铝酸盐水化物交织在一起,形成整体密实的结构。

取水化7天的钢渣复合料水化试样磨制成光片,裸露钢渣颗粒与基体相平面,作显微硬度分析,分别测定钢渣颗粒中心、钢渣颗粒界面及基体相的显微硬度,结果依次为620.00?kg/mm2231.00?kg/mm271.44?kg/mm2,其界面比基体相高3倍,即:钢渣颗粒中心>钢渣颗粒界面>基体相,这表明钢渣颗粒界面已水化,并与浆体硬化固结在一起。

水泥混凝土集料界面的粘结强度,往往是普通混凝土中最薄弱环节6,约为水泥石基体相的4090%,即集料与基体相界面的显微硬度最低,向基体相延伸显微硬度逐渐上升。钢渣复合料界面结合的牢固性能远优于水泥与集料界面。

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2.3??钢渣复合料混凝土工程应用

钢渣复合料混凝土早期用于工程建设已有二十几年,这些建筑物使用至今,结构状态良好,部分建筑工程混凝土取样分析,强度均呈持续增长趋势;微观结构分析,水化物与颗粒钢渣结合致密,钢渣颗粒周边未出现裂纹。

19857月,武钢114街坊煤气基地检修车间用钢渣复合料混凝土做基础性能良好。其配套预制立柱蒸汽养护强度达到设计强度等级的57%,优于普通水泥混凝土,一天内脱模起吊均无裂纹破损,检修车间吊车运行至今,均无基础引起的车间异常现象。该建筑物运行4年后委托武汉水利电力学院进行测试分析,运用超声波和回弹仪综合检测(见5图)结论如下:

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图片8.jpg??图片10.jpg

5??四年后基础牛腿圈检测正面测点分布??????????????6??院墙内的钢渣混复合料混凝土道路

a.?采用钢渣细集料混凝土建造的房屋基础和基础钢筋混凝土牛腿圈,经无损检测方法的测试表明。分别达到各自的设计标号,从而满足承受荷载的要求。

b.?被检测的钢渣细集料混凝土,内部均匀密实。均无破损、裂缝等缺陷产生。

c.?室内试件与现场无损检测结果一致性较好,被测钢渣细集料混凝土质量达到良好等级。

d.?钢渣细集料浇筑的房屋基础,经多年承载使用,其内部和外表均没有应力破坏状况。

1984年6月,在武钢研究院旁的家属宿舍院内铺筑了一段钢渣复合料混凝土道路(见6图),设计钢渣复合料混凝土路面层高200mm,强度等级C20,实测强度28.5MPa道路运行22个月后,钻芯取样测定路面混凝土强度增长为113%;26年后再次钻芯取样,测定路面混凝土强度为35.1MPa增长123%,随时间的增长强度呈上升趋势。该道路运行至今,路面光滑,无起砂脱落现象。

图7、图8是26年后的钢渣复合料混凝土电子探针分析,可见图7中铁、镁、锰的二价固溶体RO相裸露在绒絮状的钢渣颗粒中,通常钢渣中的RO相铁镁固溶体夹杂在硅酸二钙之间,上述状态表明,钢渣颗粒经26年的水化反应后,包裹在RO相周边的活性矿物部分已生成水化胶凝物质,而RO相状态稳定,未见参与水化反应。观察钢渣颗粒周边与基体相联接成密实整体,未见膨胀裂缝。岩相分析,小颗粒钢渣水化反应后,含钙的成分已经反应完,仅剩铁镁固溶体颗粒呈孤岛状态的处在水化产物中(见图9)。试样中可见金属铁,铁颗粒周围基本没有氧化边(见图10)。

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图片11.jpg?

7?呈现于钢渣颗粒中的铁、镁、锰固溶体?????????????????????????10??“部位成份分析能普图

?

图片12.jpg??????图片13.jpg

9???小颗粒存在于水化基体相中??????????????????????图10??钢渣复合料混凝土中的金属铁粒

?

3结论

3.1钢渣细集料与复合矿渣粉组成的钢渣复合料胶结材是一种性能良好的材料,按水泥胶砂强度检验方法,可达通用硅酸盐水泥62.5强度等级指标,且早期强度高,抗折强度高;可替代水泥配制C70级以上的高强混凝土。

3.2钢渣复合料胶结材的水化物是多种水化硅酸钙和水化硫铝酸盐矿物组成的多矿物胶凝物质,其各种矿物相互交织,搭接连生,水化结构致密、体积稳定钢渣集料界面已进行水化反应,并与浆体硬化固结在一起,形成坚实紧密的整体结构。

3.3施工4年的钢渣复合料混凝土基础经无损检测,连续性和一致性较好,强度检测分析较施工时已有较大幅度的增长,其内部和外表均没有应力破坏状况,均匀密实,混凝土质量达到良好等级。

3.4历经26年钢渣复合料混凝土性能稳定,在大颗粒钢渣上活性矿物首先水化,并裸露出稳定的RO矿物相,小颗粒钢渣水化反应后,含钙的成分已经反应完,仅剩铁镁固溶体颗粒呈孤岛状态的处在水化产物中,钢渣颗粒周边与基体相联接成密实整体。试样中金属铁颗粒周围没有氧化边,未出现游离氧化钙和游离氧化镁引起的局部膨胀迹象。

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致谢:感谢中国建筑科学研究院建材所沈阳试验中心徐欣、于大忠等在配制混凝土强度试验提供的帮助。

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参考文献:

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1】?朱桂林??孙树杉.?钢渣综合利用的现状及高价值利用新进展.?2003年冶金能源环保生产技术会议论文集.?冶金工业出版社??2003.10.?18~23

2】?李继铮?方宏辉等不同处理方式的钢渣显微结构特征分析?河南建材?2009年?第6

3北原文雄等编??表面活性剂(混凝土的减水剂和加气剂)?孙绍曾等?译??化学工业出版社??1984年8月??419~436

4】?蒲心诚等?混凝土学第一篇第五章第一节《普通混凝土的强度》?中国建筑工业出版社?19817月?6768

5】?方宏辉?转炉钢渣胶凝细集料试验研究和应用?工业建筑?(21991

6?蒲心诚等?混凝土学第一篇第三章第四节《水泥石-集料的界面粘结和微裂缝》?中国建筑工业出版社?1981年7月?53~54